合成工程的生物傳感器，其可被設(shè)計(jì)為檢測和信號特異性小分子化合物的存在下，都已經(jīng)解鎖通過利用細(xì)菌細(xì)胞如許多潛在的應(yīng)用大腸桿菌，以感測毒素或使有價值的商品，包括燃料，塑料的生物生產(chǎn)，并藥品。然而，到目前為止，科學(xué)家一直面臨著利用生物傳感器用于真核細(xì)胞的挑戰(zhàn) - 真核細(xì)胞包括酵母，植物和動物 - 因?yàn)槠駷橹沟牟呗栽谒鼈兛梢詸z測的分子和它們可以產(chǎn)生的信號方面受到限制。

但是現(xiàn)在，哈佛大學(xué)Wyss生物啟發(fā)工程研究所和哈佛醫(yī)學(xué)院(HMS)的一個研究小組開發(fā)了一種新的方法，用于設(shè)計(jì)廣泛的生物傳感器來檢測和使用活的真核細(xì)胞實(shí)際上發(fā)出任何所需分子的信號。Church是Wyss核心教員和HMS的Robert Winthrop遺傳學(xué)教授，他的團(tuán)隊(duì)在eLife雜志上報告了他們的發(fā)現(xiàn)。

為了測試他們的新方法，該團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)酵母，植物和哺乳動物細(xì)胞，以包含可定制的配體結(jié)合結(jié)構(gòu)域(LBD)，它們是激素和其他類型小分子的受體。這些定制LBD經(jīng)過定制，以便它們僅結(jié)合并“檢測”特定的目標(biāo)分子，例如人體激素孕酮或藥物地高辛。一旦LBD與靶分子結(jié)合，可以對與LBD融合的二級“信號”組分進(jìn)行編程以發(fā)射熒光或調(diào)節(jié)基因表達(dá)。該生物傳感器的組成部分--LBD與熒光或遺傳信號結(jié)合 - 降解并且如果未識別目標(biāo)分子則逐漸消失。

引人注目的是，該團(tuán)隊(duì)成功地將擬南芥植物作為多細(xì)胞植物生物傳感器，含有定制LBD以識別藥物地高辛和發(fā)光信號蛋白，當(dāng)?shù)馗咝帘?ldquo;檢測”時發(fā)光。當(dāng)植物暴露于地高辛?xí)r，這些擬南芥生物傳感器發(fā)出熒光，證明整個生物體可以在視覺上點(diǎn)亮以發(fā)出任意分子的信號檢測。

“像許多真核生物一樣，植物中充滿了多種激素，這使得感知和響應(yīng)特定的感興趣激素具有挑戰(zhàn)性，”該研究的共同第一作者，Wyss Institute技術(shù)開發(fā)研究員Dan Mandell博士說。 HMS的博士后研究員。“但是使用我們的策略，我們設(shè)計(jì)的擬南芥植物在地高辛存在下顯示出50倍的發(fā)光 - 非常容易可視化 - 這可能激發(fā)未來令人興奮的應(yīng)用，包括檢測有害環(huán)境污染物或毒素的樹木或植物，并發(fā)出可見指標(biāo)。“

“可以告訴你環(huán)境的生物傳感器對于廣泛的應(yīng)用非常有用，”Church說。“你可以想象，如果它們被用于農(nóng)業(yè)植物，它們可以告訴你土壤的狀況，毒素或害蟲的存在是否會困擾它們。”

該團(tuán)隊(duì)不僅展示了其在植物中的新方法，還描述了其在將酵母和哺乳動物細(xì)胞轉(zhuǎn)化為精確生物傳感器方面的功效，這種生物傳感器有朝一日可用于依賴酵母或家畜生產(chǎn)力或用作醫(yī)療用途的行業(yè)。傳感器?？偟膩碚f，該方法極其可調(diào)和便攜，這意味著它可以用于各種生物體中以檢測廣泛的小分子。

新生物傳感方法的另一個功能是能夠?qū)⑵溥B接到基因調(diào)節(jié)因子而不是熒光蛋白。這種生物傳感器可精確調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄，以提高小分子的產(chǎn)量在用于工業(yè)生物生產(chǎn)的生物體中。例如，酵母可以被設(shè)計(jì)為從可再生原料產(chǎn)生所需分子，并且進(jìn)一步編程以自我鑒定生產(chǎn)者群體中最有效的個體，使得僅最高產(chǎn)量的酵母存活。通過這種方式，用于藥物或其他有價值分子的生物生產(chǎn)的生物群體可以快速自我進(jìn)化以變得極其有效和高效。事實(shí)上，該團(tuán)隊(duì)使用這種策略來進(jìn)化酵母，這種酵母可以產(chǎn)生激素黃體酮，產(chǎn)量提高幾倍。

生物傳感器也可能對人類健康產(chǎn)生直接影響，因?yàn)樵搱F(tuán)隊(duì)還使用他們的方法嚴(yán)格控制活體人體細(xì)胞內(nèi)的基因編輯機(jī)制CRISPR-Cas9，這是在基因治療期間防止基因組無意識變化的一個步驟。

“教會團(tuán)隊(duì)開發(fā)的這些新的重編程功能開辟了一個全新的領(lǐng)域，普通生物體可以轉(zhuǎn)化為特殊的生物細(xì)胞設(shè)備，可以感知特定信號并產(chǎn)生適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)，無論是增強(qiáng)生物燃料的生產(chǎn)還是分泌治療劑感覺炎癥或感染。它是另一個偉大的使能能力，無疑將推動整個合成生物學(xué)領(lǐng)域。“Wyss研究所創(chuàng)始主任唐納德英格伯醫(yī)學(xué)博士，博士，他是HMS的血管生物學(xué)猶大民間教授，波士頓兒童醫(yī)院的血管生物學(xué)項(xiàng)目，以及哈佛John A. Paulson工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的生物工程教授。